一種高速單晶生長裝置的制造方法
【技術領域】
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[0001]本實用新型屬于直拉法晶體生長裝置領域，具體涉及一種高速單晶生長裝置。
【背景技術】
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[0002]以下以直拉法(CzochralsklCZ)生長單晶硅棒為例說明使用的方法。直拉單晶生長法由波蘭科學家Jan Czochralski于1918年實用新型，其方法是利用旋轉籽晶從反方向旋轉的坩禍中的熔體里持續(xù)提拉制備出單晶。
[0003]CZ法單晶硅生長主要包含以下幾個步驟:首先，將高純多晶硅原料以及摻雜物質放入石英坩禍內；完成裝料后，將長晶爐關閉，抽真空，并打開石墨加熱器，加熱使硅原料熔化；當熔體溫度穩(wěn)定后，將籽晶浸入硅熔體中，開始進行引晶；種晶與硅熔體接觸時的熱應力將會使種晶產生位錯，這些位錯則通過晶頸的生長使之消失;生長完晶頸后，降低拉速和溫度，使晶體的直徑逐漸增大到目標直徑，這個過程便稱為放肩；達到目標直徑后，不斷調整提拉速度與溫度，使晶棒直徑與目標值的變差維持在± 2mm間，等徑生長的部分稱之為晶身，也是制作硅片的部分；晶身生長完后，將晶棒直徑逐漸縮小至一尖點與熔體分開，這個過程稱為尾部生長。長完的晶棒在上爐室冷卻至室溫后取出，整個生長周期一般持續(xù)I?2天。
[0004]長晶過程主要希望能夠達到目標直徑下的晶體長度最大化和無位錯，電阻率和氧雜質沿軸向和徑向分布均勻，熱應力水平合適。位錯可能發(fā)生在長晶的任何階段，由于硅晶體具有很高的彈性強度，一般當長晶過程中的機械應力或熱應力低于其彈性強度時，應力可以在晶棒冷卻過程中自然消失;如果應力高于其彈性強度極限，就會產生位錯。一旦在長晶界面出現位錯，位錯馬上會開始多重延伸，整個晶棒可能由單晶變?yōu)槎嗑?。位錯的原因有多種，其中長晶界面形狀對位錯的形成有很大影響。位錯更容易出現在長晶界面形狀過凹或過凸情況下，在直拉法生長單晶硅過程中需要控制凝固界面的形狀盡量平坦。
[0005]同時，與定向凝固法制備多晶硅鑄錠相比，直拉法生長出的單晶硅質量更高，但成本也更尚。提尚單晶娃棒提拉速度是提尚單晶娃廣率，降低單晶娃制備成本的有效方法。在晶體提拉過程中，凝固界面晶體側的V/G比是衡量晶體質量的重要指標，其中，V為晶體的生長速度，G為凝固界面處晶體側的軸向溫度梯度。較高或較低的V/G比值均會導致晶體提拉過程中產生大量的缺陷。因此，提高晶體提拉速度的同時，凝固界面處晶體側的軸向溫度梯度也須相應提高。
[0006]綜上，在直拉單晶硅生長過程中，凝固界面形狀關系著生長出的晶體的質量，而凝固界面處晶體側的軸向溫度則決定了晶體提拉速度的大小。一般可以通過在晶體外側布置水冷套的方法強化晶體側的傳熱能力，提高晶體內的溫度梯度，進而提高晶體提拉速度。為達到最大的散熱效果，需盡可能增加水冷套的長度。然而，當水冷套長度增加至固液界面附近時，一方面晶體內的軸向溫度梯度增加，另一方面晶體內的徑向溫度梯度也顯著增大。凝固界面附近過大的徑向溫度梯度會導致凝固界面凹度增大，晶體內的熱應力水平顯著提高。如果熱應力值高于其彈性強度，就會產生位錯。一旦在長晶界面出現位錯，位錯馬上會開始多重延伸，整個晶棒可能由單晶變?yōu)槎嗑?。因此，在傳統(tǒng)方法中，水冷套下沿距離固液界面的距離較長，這極大地削弱了水冷套對于晶體側的強化散熱能力。采用傳統(tǒng)水冷套布置方法對于強化晶體側的散熱效果有限。
【實用新型內容】:
[0007]本實用新型的目的是提供一種高速單晶生長裝置，通過強化凝固界面上方晶體的傳熱以提高晶體提拉速度；同時通過控制凝固界面上方的熱流方向以獲得較為平坦的凝固界面形狀，提高晶體質量?；谌謧鳠釘抵的M，對本實用新型提出的生長裝置中水冷套以及導流筒形狀、位置進行了定量設計。
[0008]為達到上述目的，本實用新型采用如下技術方案來實現的:
[0009]—種高速單晶生長裝置，包括由外至內依次設置的爐壁和隔熱層，在隔熱層中心處的底部設置有支撐軸，支撐軸上依次設置有石墨坩禍和石英坩禍，支撐軸用于帶動石墨坩禍和石英坩禍升降及旋轉，在石墨坩禍外側上設置有石墨加熱器;在石英坩禍內設置有導流筒，且導流筒的頂端與隔熱層的頂端相連;在導流筒內設置有水冷套，且水冷套的頂端與爐壁的內壁相連；
[0010]使用時，石英坩禍內為硅熔體，硅熔體的液面低于導流筒的底面，生長的硅晶體依次穿過導流筒內腔和水冷套內腔提升至單晶快速生長裝置外。
[0011]本實用新型進一步的改進在于，導流筒的底部內側還設置有一體化成型的絕熱環(huán)，其中，硅熔體的液面低于絕熱環(huán)，水冷套的底面設置在絕熱環(huán)上方。
[0012]本實用新型進一步的改進在于，硅熔體的液面與絕熱環(huán)之間的垂直距離為10-50mm，絕熱環(huán)厚度為20-150mm，內壁距離晶體水平距離約10-100mm。
[0013]本實用新型進一步的改進在于，生長的硅晶體通過提拉裝置提升至單晶快速生長裝置外。
[0014]本實用新型進一步的改進在于，導流筒由外部石墨支撐材料以及內部絕熱填充材料制成，內部絕熱填充材料為低導熱系數的碳氈保溫材料。
[0015]本實用新型進一步的改進在于，水冷套包括水冷壁面和內部水流通道，水冷壁面采用高導熱系數耐高溫材料不銹鋼、銅、或鉬制成;為獲得最大的冷卻效果，水冷套延伸到絕熱環(huán)附近，水冷套底面與絕熱環(huán)上表面之間的垂直距離為5-100mm。
[0016]相對于現有技術，本實用新型的有益效果如下:
[0017]本實用新型的主要部件為導流筒以及導流筒內側的水冷套，導流筒除隔絕從加熱器產生的熱量以及引導氣體流通的作用以外，在晶體生長三相點附近還有控制熱流方向的作用。水冷套主要用于強化單晶側的散熱能力，水冷套長度較長，下伸至晶體生長三相點附近，靠近導流筒絕熱環(huán)上沿位置，以獲得最大的冷卻效果。水冷套的底面與絕熱環(huán)之間的距離為5-100mm，若小于5mm，加工以及安裝精度的影響，可能造成水冷套與絕熱環(huán)接觸的問題，引發(fā)安全隱患，若大于100mm，則水冷套的散熱能力大幅降低，無法達到最佳的散熱效果O
[0018]進一步的，水冷套下部做開窗處理，如圖4所示，以方便觀測熔體液面情況。
[0019]進一步的，導流筒在晶體/熔體/氛圍氣三相點附近特殊的幾何形狀和隔熱材料設計，形成絕熱環(huán)。絕熱環(huán)具有一定厚度，內部填充隔熱材料，其上沿位置靠近水冷套下沿，下沿位置靠近晶體/熔體/氛圍氣三相點。絕熱環(huán)與晶體間預留氬氣流通通道。液面與絕熱環(huán)之間的垂直距離為10-50mm，若小于10mm，則在晶體提拉過程中絕熱環(huán)有可能與熔體接觸，污染恪體，若超過50mm，則無法有效控制凝固界面處的熱流方向。絕熱環(huán)厚度為20-150mm，若絕熱環(huán)厚度小于20mm，則無法保證足夠的絕熱效果，若超過150mm，則晶體凝固界面處的散熱能力受到削弱；內壁距離晶體水平距離約lO-lOOmm，若小于10mm，則在提拉過程中晶體可能與絕熱環(huán)發(fā)生碰撞，引發(fā)生產事故，若大于100mm，則無法阻礙晶體徑向方向的散熱，對保持平坦的凝固界面形狀不利。
[0020]本實用新型通過設計導流筒在晶體生長三相點附近的幾何形狀和材料，控制凝固界面上方的熱流方向，克服傳統(tǒng)方法中水冷套長度受限的情況，在獲得最大冷卻效果的同時，有效避免因凝固界面形狀過凹而引起的熱應力過大以及位錯增殖等問題，從而提高晶體質量。通過本實用新型能夠提高20%以